JP2007109773A - 大規模半導体集積回路装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】各入力回路の位置に応じた適切な到達遅延時間を有する複数のクロックツリーを備えたことにより、動作周波数等の設計マージンが小さく、歩留まりの高い大規模半導体集積回路装置を提供することを目的とする。
【解決手段】同期回路を動作させるための基本クロックを発生させる原発振器と、CPUやメモリや特定用途用に構成されたロジック等を指す機能ブロックと、原発振器10で生成されるクロックを入力し、機能ブロックを駆動するクロックツリーと、機能ブロック間で情報の授受を行う非同期FIFO等で構成されるブロックである非同期I/Fブロック15と、を備えて構成し、各機能ブロックのLSI上の位置に応じて、クロックツリーの到達遅延時間を適切に設定する。
【選択図】図1

Description

本発明は、大規模半導体集積回路装置に係り、特に、クロックツリーを用いた同期回路を備えた大規模半導体集積回路装置に関する。
近年、大規模半導体集積回路装置(以下、LSIと称する)は、微細化が進み、それに伴い、従来、複数のLSIで構成されていたシステムが、1つのLSIの中に前記複数のLSIの機能を含めて構成されるようになってきた。
さらに、LSIの微細化に伴い、個々の処理回路の処理可能な動作スピードも上がり、従来の処理機能を増加させるために、LSI全体の高速動作が要求されるようになってきている。
また、LSIの設計にあたって、設計及び検証の容易性から、外部の発振子や内部もしくは外部のPLLから出力される基本クロックを入力するクロックツリーを用いた同期回路を採用するのが主流となっている。
このように、LSIが大規模化され、高速動作も要求されてきたことにより、原発振器より入力される基本クロックが上記同期回路を介して、LSI内部の各入力素子であるフリップフロップ(以下、F/Fと呼ぶ)に到達する際に、その発生始点からの到達遅延時間が、原発振器の周期時間と同等もしくは超えるような状況となってきている。
図6は、7段のBufferで構成されたクロック遅延回路を示す図であり、原発振器のクロックに対して遅延後のクロックの位相がほぼ同相となるようなモデルを示した図である。
図6に示す符号60〜66は、Bufferであり、符号67は、F/Fである。Buffer60〜66は、各部のF/Fに対する各クロックの同時性を満たすために挿入するものであり、同時性を持たせる回路モジュールの1つのモデルである。
図7は、同時性を持たせる回路モジュールのモデルのもとで生成される各クロックのタイミングチャートである。
図7の“始点”は原発振器のクロック波形に該当し、図6のBuffer60〜66の出力に該当するクロック波形が“遅延1”〜“終点”に相当する。
今、図7の“始点”において発生したクロックCK1Sは、Buffer60〜66を通過しながら遅延して、“終点”に到達する。“終点”に到達したクロックCK1Eは、各部のF/F67を駆動することになる。この駆動により、電源に対して変動を与える。
この変動は、その時間に駆動される素子の数、各“終点”へのクロック到達時間のバラツキ、および電源インピーダンスに依存するリンギングによって、その大きさ、変動する時間が異なってくる。
次に、上記電源変動がLSIの動作周波数に及ぼす影響について図7に示す期間7Aに注目して説明する。
“終点”に到達したクロックCK1Eが、各部のF/F67を駆動したとき、図7に示す期間7Aにおいて、Buffer60、61、62のトランジスタ(Buffer出力が図6に示す遅延1、遅延2、遅延3に相当)は、スイッチング動作状態にあり、その動作点がアクティブ領域内にある。このため、Buffer60、61、62から出力されるクロックが、上記電源の変動を受けることになる。この電源変動を受けたクロックは、図7の“始点”において発生したクロックCK2Sによるものであり、“終点”に到達したクロックCK2Eにjitter(以下、ジッタと記載する)の形で現れる(最悪の場合はハザードとなる)。
各素子へのクロック到達時間のバラツキ、電源のインピーダンスについては、設計によって固定となり、全クロックに共通に与えられるが、駆動される素子からの影響は時間毎のクロック間で異なってくる。このジッタにより、図6のF/F67が感じる瞬時周波数は、クロック発生源の発生周期をT(sec)、ジッタの大きさをj(sec)とすると1/(T±j)となる。
したがって、このLSIの必要な動作周波数は、1/Tより高く、最大1/(T−j)の周波数となり、このLSIは、最大1/(T−j)の周波数で動作しなければならない。
図6、図7において7段のBuffer60〜66の構成で説明したが、説明を簡単化するための構成例である。
また、クロックの到達遅延時間とクロック周期時間とを同じとしたが、これも簡単化するための例である。例えば、到達遅延時間>クロック周期時間の場合では、2つ後のクロックに対して影響を与えることもあり得る。
このように、同時性を満たすために、原発振器から全てのF/Fへの到達時間を同一に近付ける必要がある。
しかしながら、上記説明したクロックツリーを用いた同期回路を搭載した従来のLSIによれば、大規模化したLSIの最も遠い(遅い)F/Fへの到達時間に合わせて全てのクロックツリーを配置し、配線する必要があった。
そのため、原発振器に近いブロックであっても増長なクロックツリーで構成される結果となり、設計マージンの増大、歩留まりの低下に繋がっていた。
そこで、本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、各F/Fの位置に応じた到達遅延時間を有する複数のクロックツリーを備えたことにより、動作周波数等の設計マージンが小さく、歩留まりの高いLSIを提供することを目的とするものである。
上記課題を解決するために、本発明に係る大規模半導体集積回路は、以下の特徴を備えている。
本発明に係る大規模半導体集積回路は、基準クロックを発生する原発振器と、前記原発振器の周波数で動作する2以上の機能ブロックと、前記原発振器のクロックを入力し、前記機能ブロックを駆動するクロックツリーと、を備えた大規模半導体集積回路装置であって、前記機能ブロック間の情報伝達において、一方向もしくは双方向に情報の伝達を非同期で行うインターフェイス機能ブロックを備え、各前記クロックツリーは、前記機能ブロックの前記大規模半導体集積回路装置上に位置に応じて、該機能ブロックを駆動するクロックの到達遅延時間を適切に設定するようにしたことを特徴とする。
また、本発明に係る大規模半導体集積回路は、前記原発振器が前記大規模半導体集積回路装置の外部に設けられた場合において、前記原発振器が出力するクロック信号と接続する複数の端子を設け、前記端子が、前記機能ブロックを駆動する前記クロックツリーの入力位置に近くなるようにしたことを特徴とする。
また、本発明に係る大規模半導体集積回路は、前記機能ブロック間の情報伝達において、一方向もしくは双方向に情報の伝達を非同期で行うインターフェイス機能ブロックの代わりに、同期インターフェイス機能ブロックを備え、前記同期インターフェイス機能ブロックの情報の伝達における出力側のクロックと入力側のクロックがRTL記述時においては同位相のクロックであり、レイアウト後には前記出力側のクロックもしくは入力側のクロックが、前記情報の伝達を行う信号の一部もしくは全部においてRTL記述時と異なる場合に、位相タイミング調整を行うF/Fを備えたことを特徴とする。
また、本発明に係る大規模半導体集積回路は、前記機能ブロック間の情報伝達において、一方向もしくは双方向に情報の伝達を非同期で行うインターフェイス機能ブロックの代わりに、同期インターフェイス機能ブロックを備え、前記同期インターフェイス機能ブロックの情報の伝達における出力側のクロックと入力側のクロックがRTL記述時においては逆位相のクロックであり、レイアウト後には前記出力側のクロックもしくは入力側のクロックが、前記情報の伝達を行う信号の一部もしくは全部においてRTL記述時と異なる場合に、位相タイミング調整を行う調整回路(F/F)を備えたことを特徴とする。
また、本発明に係る大規模半導体集積回路は、各前記機能ブロックに対するリセット信号の発生後からの時間的に情報が同じである必要があり、発生されたリセット信号がRTL記述時とレイアウト後とでタイミングが異なる場合には、前記リセット信号に対して、リセット解除のタイミング調整を行う調整回路(F/F)を備えたことを特徴とする。
以上説明したように、本発明によれば、機能ブロック毎にクロックツリーを設け、それぞれの配置される位置に対応して、到達遅延時間を適切に設定する構成としているため、増長な遅延をつける必要がなく最適なクロックツリーが作成可能となり、設計マージンの低減、歩留まりの向上が可能となる。
また、本発明によれば、本来の非同期回路とは異なり、各機能ブロック間のクロックツリー上の動作クロックは同一周波数であるため、検証、解析も容易に行うことが可能である。
また、1つのクロックツリーが満たすべき制約個数も低減されるため、収束性も改善できる。
以下、本発明に係るLSI(大規模半導体集積回路)について、図面を参照して詳細に説明する。
まず、図1を用いて、本発明のLSIの概略構成、各要素の配置及び動作について説明する。
図1は、本発明に係るLSIの概略構成を示すブロック図である。
図1に示すように、本発明に係るLSIは、同期回路を動作させるための基本クロックを発生させる原発振器10と、CPUやメモリや特定用途用に構成されたロジック等を指す機能ブロック11,13と、原発振器10で生成されるクロックを入力し、機能ブロック11,13を駆動するクロックツリー12,14と、機能ブロック11と機能ブロック13の機能ブロック間で情報の授受を行う非同期FIFO等で構成されるブロックである非同期I/Fブロック15と、を備えて構成される。
図1に示す原発振器10は、例えば、水晶発振子やセラミック発振子やPLL等を指す。
なお、PLLについて言えば、LSIに内蔵されていても、外付けであってもかまわない。
また、クロックツリー12、14は、前記原発振器10によって生成される基準クロックを入力し、各種クロックを発生し、この発生したクロックによって、機能ブロック12,14は、各処理動作を行う。
また、クロックツリー12、14は、機能ブロック11、13の動作を保証するためのクロックタイミングを調整する機能を備えている。
ここでは、原発振器10のクロック信号を直接搬送するような構成となっているが、原発振器10によって生成されるクロックを分周したものや、PLL等によって周波数を変換したものや、DLL等によってクロックの位相をずらしたものであっても良いものとする。
図2は、図1に示すLSI構成をLSI化した際のレイアウトの1例を示す図である。
符号21は、本発明に係るLSIであり、図1に示すブロック図のLSI化される部分である。
図2に示すように、原発振器20をLSI21の外部に図示したが、PLL等の構成によりLSI内部に内蔵してもかまわないものとする。
原発振器20は、図1に示す原発振器10に相当する原発振器である。
機能ブロック11は、図1に示した機能ブロックであり、図2に示すLSI21上の領域22に配置されている。
同様に、機能ブロック14は、図1に示した機能ブロックであり、図2に示すLSI21上の領域23に配置されている。
符号24は、LSIのI/Oバッファの1つを指す。また、符号25は、クロックツリーの始点を表し、図6、図7の“始点”に相当する。図1に示すクロックツリー12、クロックツリー14及び非同期I/F部15については、図2に図示していないが、図2に示すLSI21の内部の空白部に配置されるものとする。もしくは、その一部が、機能ブロック11,23内に配置されるものとする。
背景技術において説明したように、従来の方法によれば、クロックの同時性を維持しなければならないので、クロックツリーの始点25から機能ブロック11、23へのクロックの到達遅延時間は、ほぼ同じになるように設定される。
そして、物理的制約から、より距離の遠い機能ブロック13の到達遅延時間値にあわせることになる。
したがって、図1のクロックツリー12、14は、クロックツリーの始点25から同じだけの到達遅延時間値を有することになる。
図6、図7で説明したように、クロックの遅延時間値とクロックの周期時間とが同等近く、もしくはそれ以上になった場合、内部動作による電源変動によって生じるジッタを持ったクロックで動作する必要が生じ、上述したようにジッタの分だけ、動作周波数が高くなってしまう。
なお、PLLのようなリングオシレータを持った素子は、同様な構成となるが、独立したモジュールとして扱うことができ、PLLの電源と内部回路の電源を分離することで電源変動に対する対策を行うことが可能であるが、クロックツリーの場合の電源を分離することは膨大な面積を消費することになり、現実にはできない。
次に、本発明のLSIが上記従来技術の問題点を克服した点について以下の実施例を基に詳細に説明する。
<実施例1の説明>
図1に示すように、機能ブロック11,13に対して、個別のクロックツリー12,14を張る際に、図2の例でいえば、機能ブロック11に関しては距離的な制約が緩和され小さい遅延時間で配置配線可能となる。
従って、例えば、図2に示した従来例において、Bufferの段数を7段から4段に減らし、絶対的な到達遅延時間値を緩和することができる。
図3は、4段のBufferモジュールのもとで生成される各クロックのタイミングチャートを示す図である。
図3に示す電源変動期間3Aに、動作状態にあるのは始点のみであり、図7に例示したものと比較して少なくなる。図1の機能ブロック13からの影響は変わらず受けることになるが、その電源変動に与えるエネルギーは、機能ブロック13の動作素子からだけであり、図7に示すように機能ブロック11及び機能ブロック13の合計から受ける影響に比べて小さなものとなる。
従って、少なくとも図1の機能ブロック11に対してはクロックのジッタは改善でき、設計マージンは小さくすることが可能となる。LSIプロセスからみると、機能ブロック11が配置されるエリア22に関しては、ジッタ改善分の周波数マージンが生じるのでスイッチングスピードの遅い特性となっても、動作可能と範囲となるので従来の手法と比較して歩留まりの向上が見込めることになる。
ここで、上記クロックツリー12の構成要素であるBufferの段数を4段とすることを可能にする構成要素が、図1に示す非同期I/F15である。
すなわち、機能ブロック11,13間の相互データ伝送を行って相互情報交換がある場合では、従来では、同期I/F(各駆動クロックの位相が同相である)構成をとっていたため、クロックツリー12のクロック到達遅延時間を、機能ブロック13を駆動するクロックツリー14のクロックの到達遅延時間に合わせざるを得ない。そのため、同期I/Fの代わりに、各クロックツリーの到達遅延時間が異なっていても、機能ブロックの相互間の情報交換を可能とする非同期I/F(厳密には、クロックの位相が異なる)15を導入することにより、機能ブロックがLSI上の位置に対応して、各クロクツリーの到達遅延時間を適切に決定することが可能である。
図2に示すように、クロックの“始点”を1つとして説明したが、これは入力端子数等の制約がある場合であり、仮に端子制約が存在しないのであれば、図2のI/Oバッファ26に、図2の原発振器20の信号と同様のもの(始点25)を入力し、図2の機能ブロック13に対するクロックツリーの“始点”を別途設けることで、更なる改善が可能となる。
機能ブロック13に対するクロックツリー14の“始点”26とした場合、機能ブロック2に対する距離的な制約が緩和され、機能ブロック11に対する改善効果と同様な改善が機能ブロック13についても可能となる。
ここで、機能ブロック13のためのクロックツリーの始点を“始点”26とする方法としては、LSI21の外部で接続する方法であっても良し、LSI21の内部に設け、内部の機能ブロックの動作から保護された電源に接続されたバッファを通過させる方法であっても良いものとする。
“始点”25から“始点”26の配線は、クロックツリーの構成には含まれないため、内部機能ブロックの素子の電源と別の保護された電源を使用することが可能となるので、電源分離は実現可能である。例えば、チップ外周部に搬送用のバッファを配置し、I/Oバッファより、内部機能ブロックの素子とは別の電源を供給することで可能になる。
<実施例2の説明>
以上、各クロクツリーの到達遅延時間を適切に決定する方法として、非同期I/Fブロック15を設ける場合について説明したが、非同期回路の設計は複雑であり、規模も大きくなりやすい。
また、ブロック間のI/Fがストリームデータのような場合、データの連続性だけが重要であり、ブロック間の転送において遅延サイクルは問題とならないことが多い。
そこで、機能ブロック間のI/Fブロックの設計時(RTL記述時)において、同期型のI/Fブロックとする構成について以下に説明する。
図4は、同期型I/Fブロックの構成例を示すブロック図である。
図4の信号ライン40は、図1に示す機能ブロック11の出力段から供給される信号群である。符号42は、機能ブロック11の出力段のF/Fである。
また、符号44は、機能ブロック11から機能ブロック13への情報伝達時に必要な論理演算を行うゲートロジック素子である。これは各F/F間において必要に応じて個別に設けられるものであり、必要とされない場合は、単に、ワイヤーとして結合される。
一方、符号44は、図1に示す機能ブロック13の入力段F/Fであり、符号46は、その出力信号である。
符号41は、図1に示すクロックツリー12が供給するクロックを表し、機能ブロック11の動作クロックである。符号45は、図1に示すクロッククロックツリー14が供給するクロックを表し、機能ブロック13の動作クロックである。
設計時(RTL記述時)には、動作クロック41と動作クロック45には同一の周波数、同一の位相のクロックを定義し、設計の検証を行うが、レイアウト時には、2つのクロックは、同一の周波数ではあるが、位相に関しては不確定となる。
そこで、一旦、(レイアウト中の途中データも含む)レイアウトを実施した後、クロックの乗せ変えが発生するF/F44の前段に、新たにF/Fを挿入し、動作クロック41、動作クロック45の遅延情報、およびゲートロジック43のタイミング情報から、このF/Fを駆動するクロックを生成する。このF/Fを挿入することによって、タイミング制約を満たした後、最終的なレイアウトを行う。
図5は、タイミング制約を満たすF/Fの構成例を示すブロック図である。
図5に示す符号52は、機能ブロック13の入力段F/Fに相当し、機能ブロック13の入力段である。符号41は、図1に示すクロックツリー12が供給するクロックを表し、機能ブロック11の動作クロックである。符号53は、図1に示すクロッククロックツリー14が供給するクロックを表し、機能ブロック13の動作クロックである。図5に示す符号50は、上述したタイミング調整のために挿入されるF/Fである。
駆動するクロック(挿入クロック)51は、動作クロック41、動作クロック45の遅延情報、およびゲートロジック43のタイミング情報によって、機能ブロック11の動作クロック41、機能ブロック11の動作クロック41の反転及び機能ブロック13の動作クロック45の反転したものから選択する。この時、全てのI/F信号に対して同一の回路挿入である必要はなく、同一の遅延サイクルであればよいものとする。
また、同一の遅延サイクルとなるのであれば、挿入するF/F50は、1段である必要はなく、2段以上の挿入を行っても良いものとする。
さらに、機能ブロック11と機能ブロック13でリセット後からの時間情報が同じである必要がある場合、図5のF/F50の挿入状態に合わせて、機能ブロック11もしくは機能ブロック13のリセット解除用にリセット信号に対しても必要に応じてF/Fの挿入を行う。
図1において、機能ブロックを2つとしたが、場合によっては3つ以上であっても良いものとする。このとき、図1に示す非同期I/F15は、設計当初から、非同期設計してもよく、レイアウト情報から同期設計してもよいものとし、その混在であってもよい。
このように、機能ブロック毎にクロックツリーを設け、それぞれの配置される位置に対応して、到達遅延時間を適切に設定する構成としているため、増長な遅延をつける必要がなく適切なクロックツリーが作成可能となり、設計マージンの低減、歩留まりの向上が可能となる。
尚、本発明に係る大規模半導体集積回路は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
本発明に係るLSIの概略構成を示すブロック図である。 本発明に係るLSI構成をLSI化した際のレイアウトの1例を示す図である。 クロックツリー上のタイミングチャートである。 同期型I/Fの構成例を示すブロック図である。 タイミング制約を満たすF/Fの構成例を示すブロック図である。 7段のBufferで構成されたクロック遅延回路を示す図であり、原発振器のクロックに対して遅延後のクロックの位相がほぼ同相となるようなモデルを示した図である。 タイミング制約を満たすF/Fの構成例を示すブロック図である。
符号の説明
10、20 原発振器
11、13 機能ブロック
12、14 クロックツリー
15 非同期I/F
21 LSI
22 機能ブロック11のLSI上の領域
23 機能ブロック13のLSI上の領域
24 I/O
25、26 原発振器20の信号の始点
40、46 信号ライン
41、45、53 動作クロック
42、44、50、52、67 F/F
43 ゲートロジック
51 挿入クロック
60〜66 Buffer


Claims (5)

  1. 基準クロックを発生する原発振器と、前記原発振器の周波数で動作する2以上の機能ブロックと、前記原発振器のクロックを入力し、前記機能ブロックを駆動するクロックツリーと、を備えた大規模半導体集積回路装置であって、
    前記機能ブロック間の情報伝達において、一方向もしくは双方向に情報の伝達を非同期で行うインターフェイス機能ブロックを備え、
    各前記クロックツリーは、前記機能ブロックの前記大規模半導体集積回路装置上に位置に応じて、該機能ブロックを駆動するクロックの到達遅延時間を適切に設定するようにしたことを特徴とする大規模半導体集積回路装置。
  2. 前記原発振器が前記大規模半導体集積回路装置の外部に設けられた場合において、前記原発振器が出力するクロック信号と接続する複数の端子を設け、
    前記端子が、前記機能ブロックを駆動する前記クロックツリーの入力位置に近くなるようにしたことを特徴とする請求項1に記載の大規模半導体集積回路装置。
  3. 前記機能ブロック間の情報伝達において、一方向もしくは双方向に情報の伝達を非同期で行うインターフェイス機能ブロックの代わりに、同期インターフェイス機能ブロックを備え、
    前記同期インターフェイス機能ブロックの情報の伝達における出力側のクロックと入力側のクロックがRTL記述時においては同位相のクロックであり、レイアウト後には前記出力側のクロックもしくは入力側のクロックが、前記情報の伝達を行う信号の一部もしくは全部においてRTL記述時と異なる場合に、位相タイミング調整を行うF/Fを備えたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の大規模半導体集積回路装置。
  4. 前記機能ブロック間の情報伝達において、一方向もしくは双方向に情報の伝達を非同期で行うインターフェイス機能ブロックの代わりに、同期インターフェイス機能ブロックを備え、
    前記同期インターフェイス機能ブロックの情報の伝達における出力側のクロックと入力側のクロックがRTL記述時においては逆位相のクロックであり、レイアウト後には前記出力側のクロックもしくは入力側のクロックが、前記情報の伝達を行う信号の一部もしくは全部においてRTL記述時と異なる場合に、位相タイミング調整を行う調整回路(F/F)を備えたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の大規模半導体集積回路装置。
  5. 各前記機能ブロックに対するリセット信号の発生後からの時間的に情報が同じである必要があり、発生されたリセット信号がRTL記述時とレイアウト後とでタイミングが異なる場合には、前記リセット信号に対して、リセット解除のタイミング調整を行う調整回路(F/F)を備えたことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の大規模半導体集積回路装置。

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WO2009063853A1 (ja) * 2007-11-12 2009-05-22 Nec Corporation チップ内およびチップ間通信回路と通信方法及び3次元lsi装置

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